基于点云数据的 DEM 高程点批量提取技术研究与应用

基于点云数据的 DEM 高程点批量提取技术研究与应用
摘要：2017 年，中石化地球物理公司中标了“董家口至东营原油管道工程详细测
量项目”，由胜利分公司具体承担实施。

项目涉及站外管道约 360km，途径青岛、潍坊、淄博、东营四个地级市。

按照项目需要要制作完成路由两侧100-200 米宽1:1000、1:2000 带状地形图，本文基于数字摄影测量技术，通过对航空影像点云数据获取、处理及快速建模技术，建立高精度DEM 数字高程模型，按需求批量提取高程数据点，结合完成
的数字化影像完成带状地形图的制作。

通过对影像数据的处理应用，将大量的外
业工作量转为内业处理完成，降低项目实施难度，提升经济、安全效益。

关键字：航空数字摄影测量；点云；数字高程模型DEM；高程点
1. 前言
2017 年 4 月，中石化地球物理公司中标了“董家口至东营原油管道工程详细
测量项目”，由胜利分公司具体承担实施。

项目涉及站外管道累计约 360km，途
径青岛、潍坊、淄博、东营四个地级市。

项目跨越区域广，地形涉及平原、山地、丘陵；地表多农田、经济作物种植；路由穿越G20、G309、支脉河、汶河等多条大型公路，河流。

地形多变，地物复杂。

项目的主要工作是通过无人机航摄，结合影像数字化制作路由中心线两侧各100 米 1:1000、1:2000 的地形图。

按照国标要求，在制作1:1000、1:2000 的地形
图时，需要按要求密度随图注记高程点，具体实施面临以下三大困难：
1、时间紧、数量巨大：1:1000 图，实地大约 20-30 米一个高程点；
360km 约需测定 38112 个点，而施工时间仅一个半月；
2、施工难度高：铁公路穿越点，坑底、山脊、等高程突变区域需加密注记
高程，越难越要多测点，施工不易；
3、安全隐患大：河流、公路、山地等特殊地形，不但极大的降低施测效率，增大施工难度，还会带来极高的安全隐患。

鉴于以上获取高程点繁重的工作量及存在的安全风险，如何利用现有设备、
软件，批量获取高程点是我们进行该研究的目的及意义。

2. 技术研究
技术思路: 基于“四大途经”，通过对点云数据从数据生产、处理、整合优化提
高点云数据获取精度；结合多种数据处理软件，基于优化后的点云，制作目标区
域 DEM；然后按照坐标或一定间隔从 DEM 批量获取高程点数据；将高程点数据
导入数字化完成的地形图获得相关最终成果。

2.1 点云生产优化
图 2：无人机航摄流程
原先采用 UX-5 无人机进行航空摄影测量获取影像数据需要提前布控相控点，
无人机定位采用 DGPS 和本身惯导确定飞行航迹及姿态，但对飞行过程中飞机的
飞行状态及数据获取质量缺无法监控。

2018 年，分公司对现有的 UX-5 无人机进
行升级，实现对飞机飞行过程的三点提升：
1、基于天宝无人机后差分定位系统的升级，可以实时掌控飞机飞行状态，
剔除飞行中出现错误的航点及航片，降低低精度相片对整体数据精度的影
响。

2、新无人机定位方式由原先的机载 GPS 与惯导系统定位变为现在 PPK 后差分定位模式，大大提高飞机航摄作业时定位精度，通过基线解算后的定位精度平面
可达 5cm，高程 10cm。

利用无人机后差分GPS，通过 PPK 解算出飞机定位数据，
在高程方面精度大大提高。

3、利用航点高精度定位数据，结合飞机飞行姿态数据共同组成高精度的新POS 数据。

利用解算的定位数据替换飞机原 POS 中定位数据后重组POS 数据，通
过 UASMASTER 8.1.2 版本软件进行空三后期解算，生成高精度点云数据。

2.2 点云降噪分类处理
基于分层分类的思想对影象匹配获取的点云进行分类。

根据测区主要地物类
型进行逐层逐步分类，把不同地物放置在不同图层里面，然后根据我们带状图制
作需求将植被图层点云删除掉，获得地面及建筑物点云，供制作DEM 模型需要。

首先把容易区分特征明显易识别的地物类进行提取单独分离出来建立一个图层；然后再把剩余的部分继续分类，调用相应的算法再针对性的提取另一种地物
类并放置到一个新图层中；最终，逐层实现所有地物的分类。

项目采用 TBC 软件进行基线差分解算，差分后的高精度 GNSS 数据和原来从
飞机导出的姿态数据共同组成高精度的 POS 数据。

利用该POS 数据使用INPHO UASMASTER 8.1.2 版本软件进行空三等后期解算，之后进行基于 DSM 方式的点云
生成。

最后利用生成的点云进行点云分类。

首先提取地面点并为其建立单独的图层；然后提取植被并为其建立图层用来单独存放；最终，把建筑物提取出来实现
全部主要地物类型分类。

3. 精度评价及应用效果
项目自开展以来，对董家口前期数据进行了质量对比，确认了该技术方法的
可行性；工作方式的简化在节省项目投入的基础上，也产生了极大的安全效益。

1、首先对区域约 568 万个数据进行全自动提取结果统计：除地面外，建筑在
多次迭代提取后，没有植被遮盖的区域，结果也很精确；对于植被，总体分类比
较准确，与地面点分离很准，误差仅在于紧挨房屋部分。

结论：整个自动分类目
标层-- 地面，建筑层结果满足应用级别要求。

2、通过对前期东营广饶段实测数据高程与通过点云数据处理获取的高程点
进行对比，平原农田地区吻合较好，地物复杂地段差异较大，但基本都能满足
误差范围要求。

3、室内数据的整理分析应用代替传统现场实测，大大降低了项目外业实施的
经济投入，也极大的提高了数据采集处理效率。

以东营广饶段为例，东营广饶段
约 60km 工作量投入施工组 4 个，16 人，GPS4 台，车辆 2 台，施工 6 天左右/ 组。

仅高程点测量粗略估算花费近 22080 元，接近前期项目外业施工花费的一半。

而
转为内业整理后，仅一个技术人员一天就可以完成该段高程点的提取制作任务，
省时省力，节约开支。

4、大量室外工作转而室内完成，避免了复杂条件下的野外施工过程，在降
低职工劳动强度的同时大大降低了交通行车、跌落、溺水等安全事故的发生概率，安全效益巨大。

4. 结束语
首次承接中石化管道建设项目的详细测量工程，基于点云数据的DEM 高程点
批量提取技术的研究学习，拓展了项目实施思路 , 提高了项目组成员通过技术学
习解决施工问题的积极性，为董东项目后继工作优质高效的开展奠定了良好基础，为进一步提升现场测绘效率提供了很好的实施方案。